采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于很難得到大尺寸的GaN體單晶材料，到目前為止，高質(zhì)量GaN材料一般都通過異質(zhì)襯底外延方法獲得。高質(zhì)量的外延薄膜一般需襯底滿足晶格常數(shù)匹配、熱膨脹系數(shù)匹配、可大尺寸和價格適宜等原則。迄今為止，還沒有一種異質(zhì)襯底能同時滿足上述所有條件。目前已經(jīng)商品化的LED按照襯底劃分有三條技術(shù)路線，即藍(lán)寶石襯底技術(shù)路線、SiC襯底技術(shù)路線和Si襯底技術(shù)路線。
[0003]隨著信息社會的發(fā)展，微機械加工技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)，尤其是應(yīng)用于各種微傳感器的制作過程中。微結(jié)構(gòu)的制作是微機械加工技術(shù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，將其利用在GaN外延技術(shù)當(dāng)中，制備具有納米結(jié)構(gòu)的基底并在其上進(jìn)行二次同質(zhì)外延，能夠得到無裂紋、低位錯的高質(zhì)量GaN薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜及方法，可以提高氮化鎵外延薄膜的質(zhì)量。
[0005 ]本發(fā)明提供一種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，包括:
[0006]一襯底材料層；
[0007]—緩沖層，該緩沖層制作在襯底材料層上；
[0008]— GaN薄膜層，其制作在緩沖層上；
[0009]—納米尺寸同質(zhì)外延層，其制作在GaN薄膜層上表面內(nèi)；
[0010]— GaN層，其制作在納米尺寸同質(zhì)外延層上。
[0011]本發(fā)明還提供一種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜制備方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1:取一襯底材料層，清洗；
[0013]步驟2:在襯底材料層上外延生長緩沖層；
[0014]步驟3:在緩沖層上外延生長GaN薄膜層；
[0015]步驟4:在GaN薄膜層上面，利用濕法腐蝕的方法腐蝕GaN薄膜層，在GaN薄膜層的上面得到納米尺寸同質(zhì)外延層，形成基底；
[0016]步驟5:對基底進(jìn)行清洗；
[0017]步驟6:在基底的上表面上外延生長GaN層，清洗，完成制備。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]1.由于GaN與異質(zhì)外延襯底Si或藍(lán)寶石或SiC存在著熱失配，在外延過程中，從高溫到低溫的變化過程中兩種材質(zhì)會出現(xiàn)膨脹尺寸不同的效果，導(dǎo)致外延GaN薄膜當(dāng)中存在一定量的內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)力會使整個基底出現(xiàn)不同程度的翹曲，并且應(yīng)力的釋放會引起薄膜裂紋的出現(xiàn)。本發(fā)明利用濕法腐蝕的方法在一次外延層上腐蝕出納米孔結(jié)構(gòu)，使得基底部分應(yīng)力釋放而不會引起裂紋，并且在之上二次外延的薄膜應(yīng)力會在界面處得到釋放，從而得到無裂紋，翹曲程度低的外延薄膜。
[0020]2.由于GaN與異質(zhì)外延襯底Si或藍(lán)寶石或SiC存在著晶格失配，外延時會在外延層當(dāng)中出現(xiàn)大量沿外延方向分布的穿透位錯。穿透位錯密度越高，外延薄膜的質(zhì)量越差。本發(fā)明利用濕法腐蝕的方法在一次外延層上腐蝕出納米孔結(jié)構(gòu)，在二次外延時，GaN會沿著納米孔的側(cè)壁進(jìn)行生長，在外延橫向生長薄膜發(fā)生合并時，穿透位錯會發(fā)生相應(yīng)的橫向截斷，只會在一小部分孔壁之上出現(xiàn)位錯，大大降低了穿透位錯的密度，得到了高質(zhì)量的外延薄膜。
【附圖說明】
[0021]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中:
[0022]圖1是本發(fā)明的GaN薄膜襯底的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的GaN薄膜襯底的制備方法流程圖。
【具體實施方式】
[0024]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，包括:
[0025]一襯底材料層10，所述襯底材料層10的材料為Si或者藍(lán)寶石或SiC，該襯底材料層10的尺寸為2英寸、4英寸或8英寸，厚度為200-900μπι;
[0026]一緩沖層11，厚度為100-300nm，材料為高溫或低溫條件下，利用MOCVD(金屬有機物化學(xué)氣相沉積)或MBE(分子束外延)生長的AlN或AlGaN，該緩沖層11制作在襯底材料層10上，可消除或減少襯底與外延GaN薄膜間晶格失配引起的位錯。
[0027]— GaN薄膜層12，該層厚度為1_3μπι，制作在緩沖層11上；
[0028]—納米尺寸同質(zhì)外延層13，其制作在GaN薄膜層12上表面內(nèi)；
[0029]一 GaN層14，該層厚度為1-2μπι，厚度為100-200nm，其表面為密集分布的特征尺寸為5-20nm的納米孔及納米線結(jié)構(gòu)，孔深或納米線長度為100-200nm，其制作在納米尺寸同質(zhì)外延層13上。腐蝕出納米孔的結(jié)構(gòu)使得基底部分應(yīng)力釋放而不會引起裂紋，并且在之上二次外延的薄膜應(yīng)力會在界面處得到釋放，從而得到無裂紋，翹曲程度低的外延薄膜;并且在二次外延時，GaN會沿著納米孔的側(cè)壁進(jìn)行生長，在外延橫向生長薄膜發(fā)生合并時，穿透位錯會發(fā)生相應(yīng)的橫向截斷，只會在一小部分孔壁之上出現(xiàn)位錯，大大降低了穿透位錯的密度，得到了高質(zhì)量的外延薄膜。
[0030]請參閱圖2及圖1所示，本發(fā)明還提供一種采用GaN圖形襯底納米同質(zhì)外延制備GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0031]步驟1:取一襯底材料層10，該層材料為Si或者藍(lán)寶石或SiC，該襯底材料層10的尺寸為2英寸、4英寸或8英寸，厚度為200-900μπι，清洗，清洗液包括丙酮、王水、甲醇、去離子水，將基底在上述溶液中依次常溫下浸泡10-20min，最后用氮氣吹干；
[0032]步驟2:在襯底材料層10上利用MOCVD(金屬有機物化學(xué)氣相沉積)外延生長緩沖層11，厚度為 100-300nm;
[0033]步驟3:在緩沖層11上利用MOCVD(金屬有機物化學(xué)氣相沉積)外延生長GaN薄膜層12，厚度為1_3μπι，生長溫度為900-1300°C;
[0034]步驟4:在GaN薄膜層12上面，利用濕法腐蝕的方法腐蝕GaN薄膜層12，在GaN薄膜層12的上面得到納米尺寸同質(zhì)外延層13，厚度為100-200nm，其表面為密集分布的特征尺寸為5-20nm的納米孔及納米線結(jié)構(gòu)，孔深或納米線長度為100-200nm，腐蝕液為AgN03/HF，AgN〇3的濃度為0.001-0.0謂，冊的濃度為1-51，腐蝕時間為1-101^11，形成基底;腐蝕在紫外光照條件下進(jìn)行；
[0035]步驟5:對基底進(jìn)行清洗；
[0036]步驟6:在基底的上表面上外延生長GaN層14，厚度為1_2μπι;清洗，完成制備。
[0037]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，包括: 一襯底材料層； 一緩沖層，該緩沖層制作在襯底材料層上； 一 GaN薄膜層，其制作在緩沖層上； 一納米尺寸同質(zhì)外延層，其制作在GaN薄膜層上表面內(nèi)； 一 GaN層，其制作在納米尺寸同質(zhì)外延層上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，其中所述襯底材料層的材料為Si或者藍(lán)寶石或SiC，該襯底材料層的尺寸為2英寸、4英寸或8英寸，厚度為200-900μηιο3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，其中所述GaN薄膜層的厚度為1-3μηι;所述GaN層的厚度為1-2μηι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，其中緩沖層的厚度為 100-300nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，其中納米尺寸同質(zhì)外延層的厚度為100-200nm，其表面為密集分布的特征尺寸為5-20nm的納米孔及納米線結(jié)構(gòu)，孔深或納米線長度為100-200nmo6.—種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜制備方法，包括以下步驟: 步驟I:取一襯底材料層，清洗； 步驟2:在襯底材料層上外延生長緩沖層； 步驟3:在緩沖層上外延生長GaN薄膜層； 步驟4:在GaN薄膜層上面，利用濕法腐蝕的方法腐蝕GaN薄膜層，在GaN薄膜層的上面得到納米尺寸同質(zhì)外延層，形成基底； 步驟5:對基底進(jìn)行清洗； 步驟6:在基底的上表面上外延生長GaN層，清洗，完成制備。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜的方法，其中所述襯底材料層的材料為Si或者藍(lán)寶石或SiC，該襯底材料層的尺寸為2英寸、4英寸或8英寸，厚度為 200-900μπι。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜的方法，其中外延生長的GaN薄膜層的厚度為1-3μπι，生長溫度為900-1300°C;所述GaN層的厚度為卜2μπι;該緩沖層的厚度為100-300nmo9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜的方法，其中腐蝕得到的納米尺寸同質(zhì)外延層的厚度為100-200nm，其表面為密集分布的特征尺寸為5-20nm的納米孔及納米線結(jié)構(gòu)，孔深或納米線長度為100-200nm，腐蝕液為AgN03/HF，AgN03的濃度為0.001-0.0謂，冊的濃度為1-51，腐蝕時間為1-1011^11。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜的方法，其中清洗的清洗液包括丙酮、王水、甲醇或去離子水，將基底在上述溶液中依次常溫下浸泡10-20min，最后用氮氣吹干。
【專利摘要】一種采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜及方法，其中采用GaN納米圖形襯底同質(zhì)外延制備GaN薄膜，包括：一襯底材料層；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底材料層上；一GaN薄膜層，其制作在緩沖層上；一納米尺寸同質(zhì)外延層，其制作在GaN薄膜層上表面內(nèi)；一GaN層，其制作在納米尺寸同質(zhì)外延層上。本發(fā)明可以提高氮化鎵外延薄膜的質(zhì)量。
【IPC分類】H01L33/12, B82Y40/00, H01L33/00
【公開號】CN105552187
【申請?zhí)枴緾N201510940416
【發(fā)明人】袁國棟, 王克超, 張璐, 吳瑞偉, 王軍喜, 王國宏, 李晉閩
【申請人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月16日